행성간자기장

행성간자기장은 태양풍에서 관측되는 자기장을 이르는 말이다. 행성간자기장은 태양에서 뿌리를 둔 자기장으로서 태양풍에 실려 행성간 공간을 휩쓸며 태양에서 멀어지기 때문에 전체적으로는 발레리나의 치마와 같은 모양이 된다. 또 태양의 자전 때문에 황도의 북극에서 내려다본 행성간 자기력선은 나선 모양이 된다. 행성간자기장은 태양 자기장과 마찬가지로 태양흑점주기에 따라 변하는데, 그 자기쌍극자(dipole) 방향이 22년 주기로 바뀐다. 또 행성간자기장의 세부구조는 자기장의 나오는 태양 표면 지역의 자기구조와 그 곳에서 일어나는 물리과정에 따라 달라진다. 태양풍의 특별한 형태인 코로나질량방출이 실어나르는 행성간자기구름은 특이한 행성간자기장이다. 특히 자기장의 방향이 지구자기장의 방향과 반대, 즉 남쪽으로 향하는 자기구름이 지자기권을 덮치면 강력한 지자기폭풍이 발생한다.

목차

일반적으로 태양에서 생성된 자기력선은 태양 표면에 뿌리를 둔 루프(loop) 형태를 가지지만 코로나구멍(coronal hole)이라고 불리는 지역에서는 태양권으로 뻗어나간 후 돌아오지 않는다(그림 1). 코로나구멍의 하전 입자들은 자기력선을 따라 빠른 속도로 방출되어 태양풍을 형성한다. 태양이 약 28일에 한번 자전하기 때문에 태양에서 방출된 자기력선은 나선 모양을 가지게 되고 이것을 파커 나선(Parker spiral)이라고 부른다(그림 2).

그림 1. 태양의 자기력선과 코로나홀(출처: )

그림 2. 모형 파커 나선팔. 태양의 북극 방향에서 본 모습이다.(출처: )

태양 표면에서의 자기장 세기는 큰 흑점 중심의 경우 수천 G 정도이고 지구 근처에서는 10 nT 전후로 줄어든다. 코로나질량방출(CME: coronal mass ejection)이 태양에서 방출되어 행성간 공간에 이르면 우리는 이것을 행성간 코로나질량방출(ICME, interplanetary coronal mass ejection)이라 부르고 지구 근처에 도달했을 때 내부 자기장 세기는 50 nT를 넘기도 하며, 속도가 빠른 ICME의 경우 진행 방향 전면에 충격파가 발생하게 된다(그림 3). ICME는 내부 자기장의 특성에 따라 다음과 같이 두가지 유형으로 분류한다. 태양에서 방출된 CME가 플럭스로프(flux rope) 모양인 경우에는 그와 대응하여 자기장의 방향이 회전하는 자기구름(magnetic cloud)이라 부르고(그림 4), 나머지 경우에는 분출물(ejecta) 이라고 부른다.

그림 3. ICME와 관련 충격파 구조 모식도(출처: )

그림 4. WIND 위성에서 관측한 1997년 1월 10일 자기구름의 행성간자기장 성분별 변화.(자료제공: )

태양풍 내의 물리량들은 주로 3축 직각 좌표계를 사용하여 관측된다. 많이 쓰이는 GSE 좌표계(Geocentric Solar Ecliptic Coordinates)는 태양-지구를 연결하는 x축(태양 방향), 지구 공전궤도 면에 위치한 y축(공전 반대 방향), x와 y에 직각인 z축(북쪽 방향)으로 이루어져 있다. 이 외에 지구 자전축을 기준으로 하는 GEO 좌표계(Geographic Coordinates), 지구 자기축을 기준으로 하는 GSM 좌표계(Geocentric Solar Magnetospheric Coordinates) 등이 있다(그림 5).

그림 5. 근지구 우주환경 연구에서 사용하는 여러 가지 좌표계(출처: )

행성간자기장 또한 세 성분으로 관측되는데 자기 구조에서 발생할 수 있는 자기재연결(reconnection) 현상 때문에 우주 환경 분야에서 남북 성분 자기장(Bz)이 가장 중요하게 연구되고 있다. 지구 자기장 방향(북쪽 방향)과 반대인 남쪽 방향의 행성간자기장이 지구에 도착하면 지구 자기권 앞쪽에서 자기재연결 현상이 발생한다. 태양풍 내의 남쪽 방향 행성간자기장 상태가 지속되면 지자기 폭풍(geomagnetic storm)으로 불리는 지구자기장 교란이 발생하고 자기력선을 따라 고위도 지역에 고에너지 입자가 다량 유입되어 극지방 상공에 오로라 등을 발생시킨다. 지자기 폭풍을 예측하기 위해서는 행성간자기장의 방향을 미리 알아야 한다. 그러나, 태양에서부터 출발하여 지구까지 도달하는 자기장의 세기와 방향을 예측하는 것은 태양풍 분야에서 가장 어려운 문제중의 하나이다. 다만 CME와 같은 특별한 사건이 발생하여 지구로 향하는 경우에 대해 태양 표면의 자기장 구조에서 나타나는 방향과 지구 근처에서의 행성간자기장 방향에 대한 연구는 의미있는 상관관계가 있음을 보여주고 있다.

태양풍 관측 위성으로는 지구를 선회하며 지구 자기권과 행성간 공간을 움직이는 위성, 태양-지구 사이의 L1 지점(Lagrangian 1 point)에 위치한 위성, 태양권 바깥쪽을 향해 여행하고 있는 위성 등이 있다. L1 위치의 ACE 위성은 지구에 도착하기 약 30분 - 1시간 전의 태양풍을 관측하므로 준실시간 관측 자료(near real-time observational data)를 사용해 지구 자기장 활동 단계를 나타내는 지자기 지수를 매우 높은 정확도로 예측하고 있다.